隨著脈沖技術(shù)的發(fā)展，高功率電磁脈沖技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其中，電磁脈沖焊接就是一種具有廣闊前景的技術(shù)。與傳統(tǒng)焊接工藝相比，電磁脈沖焊接技術(shù)具有諸多優(yōu)勢：①是一種固相焊接技術(shù)，可用于異種金屬、金屬與非金屬的焊接；②焊接過程在微秒級內(nèi)完成，生產(chǎn)效率高；③焊接過程無塵煙，綠色環(huán)保；④可精確控制焊接過程的放電能量，重復(fù)性好，易于實現(xiàn)機械化和自動化。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已對該技術(shù)展開了研究，V. Shribman、M. Marya和O. Aizawa等對鋁合金的同種、異種金屬進行了電磁脈沖焊接試驗，結(jié)果表明電磁脈沖焊接的金屬接頭強度幾乎無下降，并提出了電磁脈沖焊接的機理，即在固態(tài)連接過程，高速度的塑性變形導(dǎo)致金屬質(zhì)量快速傳輸。

A. Ben-Artzy等研究發(fā)現(xiàn)鋁鎂的電磁脈沖焊接接頭的界面存在薄熔化層，并且在隨后的快速冷卻過程中產(chǎn)生了金屬間化合物，通過對焊接界面的鏡像分析，表明內(nèi)外管傾斜碰撞產(chǎn)生的射流在焊接區(qū)的熔化過程中起重要作用。張杰采用電磁脈沖焊接方法，進行純銅與防銹鋁的異種材料焊接試驗，并測試與分析了顯微組織、物相組成、表面硬度和力學(xué)性能，結(jié)果表明該方法可獲得較高質(zhì)量的焊接接頭。

電磁脈沖焊接過程中，主回路能夠產(chǎn)生幾百kA的電流，其開關(guān)的選取也至關(guān)重要。觸發(fā)真空開關(guān)（Triggered Vacuum Switch, TVS）具備隔離高壓和起弧后快速恢復(fù)介電強度的性能，可作為放電開關(guān)，在科研和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

田微等研究了觸發(fā)電流對TVS導(dǎo)通特性的影響，得到了真空間隙的導(dǎo)通條件，即在主間隙電壓為定值時，真空間隙導(dǎo)通所需的觸發(fā)電荷量需近似滿足一定關(guān)系。趙巖和毛曉坡等分別開展了激光觸發(fā)真空開關(guān)穩(wěn)定性、時延特性及目標(biāo)材料觸發(fā)特性的研究。

激光觸發(fā)真空開關(guān)和電氣觸發(fā)真空開關(guān)的區(qū)別在于觸發(fā)方式的不同，后者的觸發(fā)方式更簡便，所以本文采用電氣觸發(fā)真空開關(guān)。然而，要使得多管并聯(lián)的TVS同時導(dǎo)通，即具有很高的同步性，需要開關(guān)的觸發(fā)脈沖上升沿達(dá)到納秒量級，因此需要研制出滿足TVS導(dǎo)通條件的快上升沿脈沖源。

李江濤等設(shè)計了基于模塊化雪崩三極管Marx電路和傳輸線變壓器的重頻納秒脈沖源，提出直接疊加和傳輸線變壓器兩種脈沖疊加方式組合的方法，可進一步提高輸出電壓。董守龍等設(shè)計了基于Marx電路帶有尾切開關(guān)的脈沖源，輸出能夠達(dá)到30ns前沿，最大1μs脈寬，重頻1kHz。

對于線圈，邱立等研究了焊接線圈磁場分布規(guī)律，設(shè)計了驅(qū)動線圈的幾何尺寸、脈沖強磁場成形系統(tǒng)放電脈寬及驅(qū)動線圈強度等，分析了線圈電感對脈沖強磁場成形的影響，提出了一套脈沖強磁場成型系統(tǒng)設(shè)計方案。

盛熙等結(jié)合電磁成形的特點，對線圈的電參數(shù)及受力特點進行了系統(tǒng)分析，設(shè)計了長壽命、高可靠的驅(qū)動線圈，能夠進行上千次成形試驗，通過制造不同規(guī)格的驅(qū)動線圈并對其試驗，并總結(jié)了線圈的制造工藝。郭寧等設(shè)計測量了1MA脈沖大電流的微分環(huán)，可用于焊接線圈電流的測量。

目前，國內(nèi)電力電纜接頭主要采用液壓方式連接，壓接效果不均勻，管件存在棱角，容易產(chǎn)生電暈；壓接方式的電學(xué)與力學(xué)性能隨著電力系統(tǒng)長期運行，可能出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，使得電路發(fā)生故障。而電磁脈沖焊接能夠達(dá)到原子層面的結(jié)合，作用于焊接管件的電磁力大小與方向均勻，無棱角產(chǎn)生，且電學(xué)與力學(xué)性能經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者研究，對比于壓接方式更加優(yōu)異。

為探究電磁脈沖焊接電力電纜接頭，通過理論推導(dǎo)及仿真分析，確定影響電磁脈沖焊接的主要影響因素；通過理論計算設(shè)計具有集磁器功能的單匝焊接線圈與同軸線纜，減少電路回路中的電感，提高焊接效率；設(shè)計基于固態(tài)開關(guān)和閉合磁心的系統(tǒng)控制模塊用于TVS的觸發(fā)。

最終研制出一套能夠用于不同型號電纜接頭焊接的電磁脈沖焊接裝置，測試結(jié)果表明該電磁脈沖焊接設(shè)備可穩(wěn)定工作，性能可靠，最大工作電壓為15kV，最大輸出電流可達(dá)600 kA，達(dá)到電流峰值時間約10μs。

圖1 電磁脈沖焊接成型的基本電路和等效電路

圖19 試驗平臺

圖23 電磁脈沖焊接效果

結(jié)論

本文設(shè)計了一種產(chǎn)生600kA脈沖電流的電磁脈沖焊接設(shè)備，采用銅板電極平行連線方式及使用同軸電纜對TVS進行連接，減少了電路中的電感，提高了焊接效率。通過理論計算分析，設(shè)計了具有集磁器功能的單匝焊接線圈與基于固態(tài)開關(guān)和變壓器的脈沖源用于TVS的觸發(fā)。

經(jīng)測試，電磁脈沖焊接設(shè)備能夠正常工作，性能可靠，能夠?qū)㈦娎|接頭進行焊接，并且焊接接頭處的接觸電阻比傳統(tǒng)絞合連接方式的小。這對于進一步研究電磁脈沖焊接的過程和原理奠定了基礎(chǔ)。后續(xù)將開展電力電纜、異種金屬的焊接試驗，進一步完善電磁脈沖焊接過程的技術(shù)工藝。